CN111336512A - 一种天然气燃烧器及热风炉的设计方法 - Google Patents

一种天然气燃烧器及热风炉的设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种天然气燃烧器及热风炉的设计方法，其中天然气燃烧器的设计用气量为1600 Nm3/h；天然气燃烧器包括将点火燃烧器、主燃烧器、加速燃烧器，其中点火燃烧器天然气设计用气量为50Nm3/h，主燃烧器天然气设计用气量为1200Nm3/h，加速燃烧器的天然气设计用气量为350Nm3/h；热风炉的设计包括前述天然气燃烧器的设计，且热风炉将燃烧室与混合室合二为一，二次混合空气来自窑下物转筒冷却器的热空气，热空气从热风炉前端锥段均匀进入。本发明结构简单，精加工件少，制安维修方便，能满足钛白粉回转煅烧窑生产的各种工况，且有利于节省天然气消耗量，并降低氮氧化物的排放量。

Description

一种天然气燃烧器及热风炉的设计方法
技术领域
本发明属于钛白粉回转煅烧窑技术领域，具体地，涉及一种天然气燃烧器及热风炉的设计方法。
背景技术
现有的钛白粉回转煅烧窑所用的天然气燃烧器有国产燃烧器和进口燃烧器，国产燃烧器在设计上，点火及燃烧不好控制且火焰的稳定性不好，导致燃烧不完全，天然气耗量大。而进口燃烧器设计上结构复杂且价格昂贵，检修和维护成本较高。同时现有的钛白粉回转煅烧窑的热风炉在设计上，热风炉与燃烧器接口端周向火焰温度高，炉衬材料易损坏，且烟气中NOX的排放量高，另外现有的热风炉采用固定支撑方式，不利于回转窑及热风炉的膨胀和检修。
为此，提出了一种天然气燃烧器及热风炉的设计方法，以解决现有天然气燃烧器及热风炉设计中存在的上述问题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种天然气燃烧器的设计方法，包括如下步骤：
（1）天然气燃烧器的设计用气量：根据钛白粉回转煅烧窑最大40kt/a钛白粉的生产能力，确定天然气燃烧器的设计用气量为1600 Nm3/h；
（2）天然气燃烧器的燃烧方式: 将点火燃烧器、主燃烧器、加速燃烧器三种不同的燃烧器有机地组合成分段式回转煅烧窑热风炉专用天然气燃烧器，其中点火燃烧器天然气设计用气量为50Nm3/h，主燃烧器天然气设计用气量为1200Nm3/h，加速燃烧器的天然气设计用气量为350Nm3/h；
（3）点火燃烧器的设计：结构上采用孔罩式扩散燃烧器，天然气与空气呈90°垂直交叉射流混合，使空气与天然气混合均匀；降低空气的过剩系数，增大天然气的浓度，便于点火与着火；点火燃烧器采用电子自动点火和备用人工点火方式；
点火燃烧器各部位流速按以下选取：空气管道流速8～10m/s，天燃气管道流速10～15m/s，内部通道内流速20～25m/s，点火燃烧器的出口流速25～30m/s；
点火燃烧器头部的设计：点火燃烧器头部采用无缝管加锥盖的结构，头部的外直径考虑布置电子点火棒接管以及人工点火棒接管因素，选择Φ133×6的无缝管；头部火孔的气速按30m/s设计，头部火孔在圆管及锥盖上多圈分布，靠近电子点火棒处的头部火孔的孔径按2mm设计,其余头部火孔的孔径由近及远依次按3mm，6mm，8mm设计；
（4）主燃烧器的设计：天然气与空气呈90°垂直交叉强旋转射流混合，使空气与天然气混合均匀，同时强旋转射流的内部边界形成一个回流区，在燃烧时回流的就是高温燃烧产物，以此作为稳定火焰的连续点火源，主燃烧器的火焰为短平火焰，近似无焰燃烧；
主燃烧器旋流器的设计：采用螺旋状长叶片式旋流器，空气旋流强度强，同时便于与点火燃烧器和加速燃烧器进行组合，螺旋叶片升角按30°设计，螺旋叶片的螺距按2～2.5个螺距设计，空气环形螺旋面通道流速按25～30m/s设计，主燃烧器出口流速按25～30m/s设计；
主燃烧器中心管的设计：主燃烧器按中心管的方式供气，天然气以90°方向高速射入强旋转的空气流中，为防止天然气射入旋转的空气流中相互叠加，影响天然气与空气的混合效果，天然气射流小孔以不同的孔径，分层次以不同的射流深度射入空气流中，以达到最佳的混合效果；中心管内安装点火燃烧器，采用双层夹套管，夹套层走天然气，内管直径以能安装点火燃烧器为准，夹套层内天然气流速按15m/s设计；
天然气射流小孔的气速及孔径分布设计：气速按Vg=130m/s设计，天然气射流小孔在轴线上按五圈分布，每圈孔径依次按按18mm, 14mm, 12mm, 6mm, 3.8mm设计，大孔径靠近螺旋叶片端；
（5）加速燃烧器的设计：天然气与空气呈90°垂直交叉射流混合，空气不旋转，增加天然气与空气的混合路径，使空气与天然气进行预混合，加速燃烧器套在主燃烧器外面，混合气体切向进入，喷口处设置轴向倾斜导叶片；空气管道的流速按15m/s设计，天然气管道流速按25m/s设计，天然气出口小孔气速按60m/s选取，天然气出口小孔在轴线上按四圈分布，每圈孔径沿加速燃烧器的空气流动方向依次按12mm, 10mm, 8mm, 6mm设计，加速燃烧器出口流速按20m/s设计。
优选的，所述天然气燃烧器火孔处的材料按耐热不锈钢06Cr25Ni20设计，炉外低温部件的材料按Q235B设计。
本发明还提供了一种热风炉的设计方法，所述热风炉采用卧式圆筒炉型且包括按上述天然气燃烧器设计方法设计的天然气燃烧器，所述热风炉将燃烧室与混合室合二为一，二次混合空气来自窑下物转筒冷却器的热空气，温度为90～100°C，热空气从热风炉前端锥段均匀进入。
优选的，所述热风炉衬里后的内径按Φ2600mm设计，容积热负荷按无烟煤的容积热强度设计，直筒长度按6200mm设计；热风炉前端安装天然气燃烧器的接口衬里后尺寸按Φ840 mm设计，热风炉的前端锥段衬里后尺寸按Φ840/Φ2600mm设计，锥角按90°设计；热风炉的出口锥段衬里后尺寸按Φ2600/Φ1850mm设计，方便与回转煅烧窑的窑头罩对接。
优选的，热风炉筒体材料选用Q235B，安装天然气燃烧器的锥体部分及二次风洞部位均浇注钢纤维耐火混凝土内衬，热风炉中部壳体以及尾部锥体的内衬总厚度按460mm设计，包括二层隔热耐火砖和一层高强度耐火砖。
优选的，将热风炉及其操作小平台整体支承在车轮支架上，地面设置两根钢轨道，车轮支架整体可在钢轨道上水平移动。
本发明还包括能够使该天然气燃烧器和热风炉正常使用的其它组件设计，均为本领域的常规技术手段。另外，本发明中未加限定的装置或组件的设计均采用本领域中的常规技术手段。
本发明设计的天然气燃烧器的工作过程为，点火前：点火燃烧器、主燃烧器、加速燃烧器进行3～5分钟100%的空气吹扫，此时各天然气阀门关闭)，吹扫后，一次风机的风量自动关闭到30%；点火时主燃烧器，加速燃烧器的天然气阀门关闭，空气阀门关闭，点火燃烧器的天然气阀门在电火花打火后延时8秒钟自动打开，点火棒的插入深度，空气燃气比例现场进行炉外点火试验时，人工调节并设定，如果电火花打火后10秒钟未着火，天然气的安全切断阀门立即切断天然气，安全释放阀立即排放管组内的天然气，即时进入100%的空气吹扫程序并运行15分钟，人工复位可进入点火启动程序；中等负荷生产时，生产负荷在25 kt/a钛白粉以下，以及烘炉、升温、降温过程中，点火燃烧器，主燃烧器投入使用；在点火燃烧器着火并稳定运行后，人工手动开启主燃烧器的空气阀门、天然气阀门，观察燃烧情况，调节稳定。主燃烧器的空气流量调节由人工根据风机的电动机频率和空气电动阀的开度等参数进行设定。主燃烧器的天然气流量根据热风炉出口烟气温度的设定值进行自动调节。主燃烧器稳定燃烧后，加速燃烧器的天然气阀门应关闭，人工手动开启加速燃烧器的空气阀门3%的开度，主要避免将加速燃烧器的外套管烧坏，同时冷却主燃烧器的火焰根部，降低烟气中的NOX排放量；满负荷生产时， 生产负荷在25～40kt/a钛白粉之间，点火燃烧器，主燃烧器，加速燃烧器同时投入使用。点火燃烧器，主燃烧器达到设计能力，并稳定运行后，可人工手动开启加速燃烧器的天然气阀门，加速燃烧器的空气流量调节由人工根据风机的电动机频率，空气电动阀的开度等参数进行设定，加速燃烧器的天然气流量根据热风炉出口烟气温度的设定值进行自动调节。
本发明的有益效果是，本发明设计的天然气燃烧器及热风炉结构简单，精加工件少，制安维修方便，能满足钛白粉回转煅烧窑生产的各种工况，且有利于节省天然气消耗量，并降低氮氧化物的排放量。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明中的天然气燃烧器的整体结构示意图。
图2是图1中的加速燃烧器的C-C向剖视结构示意图。
图3是本发明中的点火燃烧器的整体结构示意图。
图4是图3的F向结构示意图。
图5是图3的A-A向剖视结构示意图。
图6是本发明中的主燃烧器的整体结构示意图。
图7是本发明中的热风炉的整体结构示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图以及具体实施例对本发明进行清楚地描述，在此处的描述仅仅用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
实施例
如图1~7所示，本发明提供了一种天然气燃烧器的设计方法，包括如下步骤：
（1）天然气燃烧器4的设计用气量：根据钛白粉回转煅烧窑最大40kt/a钛白粉的生产能力，确定天然气燃烧器4的设计用气量为1600 Nm3/h；
（2）天然气燃烧器4的燃烧方式: 将点火燃烧器1、主燃烧器2、加速燃烧器3三种不同的燃烧器有机地组合成分段式回转煅烧窑热风炉专用天然气燃烧器4，其中点火燃烧器1的天然气设计用气量为50Nm3/h，主燃烧器2的天然气设计用气量为1200Nm3/h，加速燃烧器3的天然气设计用气量为350Nm3/h；
（3）点火燃烧器1的设计：结构上采用孔罩式扩散燃烧器，天然气a与空气b呈90°垂直交叉射流混合，使空气b与天然气a混合均匀；降低空气的过剩系数，增大天然气的浓度，便于点火与着火；点火燃烧器采用电子自动点火和备用人工点火方式；
点火燃烧器各部位流速按以下选取：空气管道流速8～10m/s，天燃气管道流速10～15m/s，内部通道内流速20～25m/s，点火燃烧器的出口流速25～30m/s；
点火燃烧器1的头部1-1的设计：点火燃烧器1的头部1-1采用无缝管加锥盖的结构，头部1-1的外直径考虑布置电子点火棒接管1-3以及人工点火棒接管1-4因素，选择Φ133×6的无缝管；头部火孔1-2的气速按30m/s设计，头部火孔1-2在圆管及锥盖上多圈分布，靠近电子点火棒处的头部火孔1-2的孔径按2mm设计,其余头部火孔1-2的孔径由近及远依次按3mm，6mm，8mm设计；
（4）主燃烧器2的设计：天然气b与空气a呈90°垂直交叉强旋转射流混合，使空气a与天然气b混合均匀，同时强旋转射流的内部边界形成一个回流区，在燃烧时回流的就是高温燃烧产物，以此作为稳定火焰的连续点火源，主燃烧器2的火焰为短平火焰，近似无焰燃烧；
主燃烧器2的旋流器的设计：采用螺旋状长叶片式旋流器，空气旋流强度强，同时便于与点火燃烧器和加速燃烧器进行组合，螺旋叶片2-2升角按30°设计，螺旋叶片2-2的螺距按2～2.5个螺距设计，空气环形螺旋面通道流速按25～30m/s设计，主燃烧器2的出口流速按25～30m/s设计；
主燃烧器2的中心管2-3的设计：主燃烧器2按中心管的方式供气，天然气a以90°方向高速射入强旋转的空气流中，为防止天然气b射入旋转的空气流中相互叠加，影响天然气a与空气b的混合效果，天然气射流小孔2-1以不同的孔径，分层次以不同的射流深度射入空气流中，以达到最佳的混合效果；中心管2-3内安装点火燃烧器1，采用双层夹套管，夹套层走天然气a，内管直径以能安装点火燃烧器1为准，夹套层内天然气b的流速按15m/s设计；
天然气射流小孔2-1的气速及孔径分布设计：气速按Vg=130m/s设计，天然气射流小孔2-1在轴线上按五圈分布，每圈孔径依次按按18mm, 14mm, 12mm, 6mm, 3.8mm设计，大孔径靠近螺旋叶片2-2端；
（5）加速燃烧器3的设计：天然气a与空气b呈90°垂直交叉射流混合，空气b不旋转，增加天然气a与空气b的混合路径，使空气b与天然气a进行预混合，加速燃烧器3套在主燃烧器2的外面，混合气体切向进入，喷口处设置轴向倾斜导叶片；空气管道的流速按15m/s设计，天然气管道流速按25m/s设计，天然气出口小孔3-1的气速按60m/s选取，天然气出口小孔3-1在轴线上按四圈分布，每圈孔径沿加速燃烧器3的空气流动方向依次按12mm, 10mm, 8mm,6mm设计，加速燃烧器3的出口流速按20m/s设计。
所述天然气燃烧器4的火孔处的材料按耐热不锈钢06Cr25Ni20设计，炉外低温部件的材料按Q235B设计。
本发明还提供了一种热风炉的设计方法，所述热风炉采用卧式圆筒炉型且包括按上述天然气燃烧器设计方法设计的天然气燃烧器4，所述热风炉5将燃烧室与混合室合二为一，二次混合空气来自窑下物转筒冷却器的热空气，温度为90～100°C，热空气从热风炉5的前端锥段均匀进入。所述热风炉5衬里后的内径按Φ2600mm设计，容积热负荷按无烟煤的容积热强度设计，直筒长度按6200mm设计；热风炉5的前端安装天然气燃烧器4的接口衬里后尺寸按Φ840 mm设计，热风炉5前端锥段衬里后尺寸按Φ840/Φ2600mm设计，锥角按90°设计；热风炉5的出口锥段衬里后尺寸按Φ2600/Φ1850mm设计，方便与回转煅烧窑的窑头罩对接。热风炉5的筒体材料选用Q235B，安装天然气燃烧器4的锥体部分及二次风洞部位均浇注钢纤维耐火混凝土内衬，热风炉5的中部壳体以及尾部锥体的内衬总厚度按460mm设计，包括二层隔热耐火砖5-4和一层高强度耐火砖5-2。将热风炉5及其操作小平台整体支承在车轮支架6上，地面设置两根钢轨道7，车轮支架6整体可在钢轨道7上水平移动。
本发明还包括能够使该天然气燃烧器4和热风炉5正常使用的其它组件设计，均为本领域的常规技术手段。另外，本发明中未加限定的装置或组件的设计均采用本领域中的常规技术手段。
本发明设计的天然气燃烧器4的工作过程为，点火前：点火燃烧器1、主燃烧器2、加速燃烧器3进行3～5分钟100%的空气吹扫，此时各天然气阀门关闭)，吹扫后，一次风机的风量自动关闭到30%；点火时主燃烧器1，加速燃烧器3的天然气阀门关闭，空气阀门关闭，点火燃烧器1的天然气阀门在电火花打火后延时8秒钟自动打开，点火棒的插入深度，空气燃气比例现场进行炉外点火试验时，人工调节并设定，如果电火花打火后10秒钟未着火，天然气的安全切断阀门立即切断天然气，安全释放阀立即排放管组内的天然气，即时进入100%的空气吹扫程序并运行15分钟，人工复位可进入点火启动程序；中等负荷生产时，生产负荷在25 kt/a钛白粉以下，以及烘炉、升温、降温过程中，点火燃烧器1，主燃烧器2投入使用；在点火燃烧器1着火并稳定运行后，人工手动开启主燃烧器2的空气阀门、天然气阀门，观察燃烧情况，调节稳定。主燃烧器2的空气流量调节由人工根据风机的电动机频率和空气电动阀的开度等参数进行设定。主燃烧器2的天然气流量根据热风炉5的出口烟气温度的设定值进行自动调节。主燃烧器2稳定燃烧后，加速燃烧器3的天然气阀门应关闭，人工手动开启加速燃烧器3的空气阀门3%的开度，主要避免将加速燃烧器3的外套管烧坏，同时冷却主燃烧器2的火焰根部，降低烟气中的NOX排放量；满负荷生产时， 生产负荷在25～40kt/a钛白粉之间，点火燃烧器1，主燃烧器2，加速燃烧器3同时投入使用。点火燃烧器1，主燃烧器2达到设计能力，并稳定运行后，可人工手动开启加速燃烧器3的天然气阀门，加速燃烧器3的空气流量调节由人工根据风机的电动机频率，空气电动阀的开度等参数进行设定，加速燃烧器3的天然气流量根据热风炉5的出口烟气温度的设定值进行自动调节。
以上已经描述了本发明的实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的实施例。在不偏离所说明实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (6)

1.一种天然气燃烧器的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）天然气燃烧器的设计用气量：根据钛白粉回转煅烧窑最大40kt/a钛白粉的生产能力，确定天然气燃烧器的设计用气量为1600 Nm3/h；
（2）天然气燃烧器的燃烧方式: 将点火燃烧器、主燃烧器、加速燃烧器三种不同的燃烧器有机地组合成分段式回转煅烧窑热风炉专用天然气燃烧器，其中点火燃烧器天然气设计用气量为50Nm3/h，主燃烧器天然气设计用气量为1200Nm3/h，加速燃烧器的天然气设计用气量为350Nm3/h；
（3）点火燃烧器的设计：结构上采用孔罩式扩散燃烧器，天然气与空气呈90°垂直交叉射流混合，使空气与天然气混合均匀；降低空气的过剩系数，增大天然气的浓度，便于点火与着火；点火燃烧器采用电子自动点火和备用人工点火方式；
点火燃烧器各部位流速按以下选取：空气管道流速8～10m/s，天燃气管道流速10～15m/s，内部通道内流速20～25m/s，点火燃烧器的出口流速25～30m/s；
点火燃烧器头部的设计：点火燃烧器头部采用无缝管加锥盖的结构，头部的外直径考虑布置电子点火棒接管以及人工点火棒接管因素，选择Φ133×6的无缝管；头部火孔的气速按30m/s设计，头部火孔在圆管及锥盖上多圈分布，靠近电子点火棒处的头部火孔的孔径按2mm设计,其余头部火孔的孔径由近及远依次按3mm，6mm，8mm设计；
（4）主燃烧器的设计：天然气与空气呈90°垂直交叉强旋转射流混合，使空气与天然气混合均匀，同时强旋转射流的内部边界形成一个回流区，在燃烧时回流的就是高温燃烧产物，以此作为稳定火焰的连续点火源，主燃烧器的火焰为短平火焰，近似无焰燃烧；
主燃烧器旋流器的设计：采用螺旋状长叶片式旋流器，空气旋流强度强，同时便于与点火燃烧器和加速燃烧器进行组合，螺旋叶片升角按30°设计，螺旋叶片的螺距按2～2.5个螺距设计，空气环形螺旋面通道流速按25～30m/s设计，主燃烧器出口流速按25～30m/s设计；
主燃烧器中心管的设计：主燃烧器按中心管的方式供气，天然气以90°方向高速射入强旋转的空气流中，为防止天然气射入旋转的空气流中相互叠加，影响天然气与空气的混合效果，天然气射流小孔以不同的孔径，分层次以不同的射流深度射入空气流中，以达到最佳的混合效果；中心管内安装点火燃烧器，采用双层夹套管，夹套层走天然气，内管直径以能安装点火燃烧器为准，夹套层内天然气流速按15m/s设计；
天然气射流小孔的气速及孔径分布设计：气速按Vg=130m/s设计，天然气射流小孔在轴线上按五圈分布，每圈孔径依次按按18mm, 14mm, 12mm, 6mm, 3.8mm设计，大孔径靠近螺旋叶片端；
（5）加速燃烧器的设计：天然气与空气呈90°垂直交叉射流混合，空气不旋转，增加天然气与空气的混合路径，使空气与天然气进行预混合，加速燃烧器套在主燃烧器外面，混合气体切向进入，喷口处设置轴向倾斜导叶片；空气管道的流速按15m/s设计，天然气管道流速按25m/s设计，天然气出口小孔气速按60m/s选取，天然气出口小孔在轴线上按四圈分布，每圈孔径沿加速燃烧器的空气流动方向依次按12mm, 10mm, 8mm, 6mm设计，加速燃烧器出口流速按20m/s设计。
2.根据权利要求1所述的天然气燃烧器的设计方法，其特征在于，天然气燃烧器的火孔处的材料按耐热不锈钢06Cr25Ni20设计，炉外低温部件的材料按Q235B设计。
3.一种热风炉的设计方法，所述热风炉采用卧式圆筒炉型，其特征在于，所述热风炉包括按权利要求1或2所述的天然气燃烧器的设计方法设计的天然气燃烧器，所述热风炉将燃烧室与混合室合二为一，二次混合空气来自窑下物转筒冷却器的热空气，温度为90～100°C，热空气从热风炉前端锥段均匀进入。
4.根据权利要求3所述的热风炉的设计方法，其特征在于，所述热风炉衬里后的内径按Φ2600mm设计，容积热负荷按无烟煤的容积热强度设计，直筒长度按6200mm设计；热风炉前端安装天然气燃烧器的接口衬里后尺寸按Φ840 mm设计，热风炉的前端锥段衬里后尺寸按Φ840/Φ2600mm设计，锥角按90°设计；热风炉的出口锥段衬里后尺寸按Φ2600/Φ1850mm设计，方便与回转煅烧窑的窑头罩对接。
5.根据权利要求4所述的热风炉的设计方法，其特征在于，热风炉筒体材料选用Q235B，安装天然气燃烧器的锥体部分及二次风洞部位均浇注钢纤维耐火混凝土内衬，热风炉中部壳体以及尾部锥体的内衬总厚度按460mm设计，包括二层隔热耐火砖和一层高强度耐火砖。
6.根据权利要求3~5任一项所述的热风炉的设计方法，其特征在于，将热风炉及其操作小平台整体支承在车轮支架上，地面设置两根钢轨道，车轮支架整体可在钢轨道上水平移动。
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